農(nóng)村飲用水源河道水質(zhì)狀態(tài)及富營(yíng)養(yǎng)化特征研究

馬秋樂(lè)

(塔里木河流域管理局，新疆 烏魯木齊 841000)

水質(zhì)健康狀態(tài)乃是用水安全的重要保障，建立水質(zhì)安全評(píng)價(jià)體系為飲用水檢測(cè)評(píng)價(jià)、補(bǔ)水凈化等提供重要參考，分析河道水質(zhì)狀態(tài)對(duì)提升水質(zhì)評(píng)價(jià)水平具有重要意義[1-3]。劉晨輝[4]、班靜雅[5]、乾愛(ài)國(guó)[6]根據(jù)水動(dòng)力學(xué)理論，采用MIKE水動(dòng)力學(xué)計(jì)算平臺(tái)，研究了河流水質(zhì)影響因素，分析了水質(zhì)時(shí)空變化特征，為河道水質(zhì)治理等提供重要依據(jù)。當(dāng)然，也有一些學(xué)者根據(jù)水質(zhì)模型開(kāi)展相應(yīng)水質(zhì)狀態(tài)演變分析，包括SWMM 水質(zhì)模型[7-8]、SOM水質(zhì)模型[9]等，基于模型分析獲得水質(zhì)演化特征，為評(píng)價(jià)水質(zhì)狀態(tài)及用水安全性提供預(yù)判。不可忽視上述水動(dòng)力學(xué)計(jì)算或水質(zhì)模型分析，與實(shí)際河道水質(zhì)狀態(tài)具有差異性，不同參數(shù)的選取均會(huì)影響最終評(píng)價(jià)結(jié)果，而根據(jù)長(zhǎng)期水質(zhì)監(jiān)測(cè)，獲取水質(zhì)狀態(tài)特征，可獲得水質(zhì)評(píng)價(jià)重要參數(shù)，為分析河道水質(zhì)演化特征及水質(zhì)安全性提供重要佐證[10-12]。本文根據(jù)北疆地區(qū)河道水質(zhì)近三年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析水質(zhì)污染物演變、時(shí)空分布及富營(yíng)養(yǎng)化特征，為水質(zhì)評(píng)價(jià)提供重要參數(shù)。

1 工程概況

北疆地區(qū)內(nèi)陸河乃是地區(qū)內(nèi)重要飲用水來(lái)源，全長(zhǎng)為352.0 km，建設(shè)防洪堤壩長(zhǎng)度為165.5 km，設(shè)置有不同水工擋土墻防洪堤壩，預(yù)制拼裝式擋土墻防洪堤全長(zhǎng)為123.5 km，壩身采用混凝土硬化，最大滲透坡降不超過(guò)0.25。設(shè)置有大型抽水泵站中轉(zhuǎn)水利樞紐設(shè)施，日可供水量超過(guò)100萬(wàn)m3，主要面向流域內(nèi)農(nóng)村地區(qū)，修建輸水渠道全長(zhǎng)為56 km，渠首流量根據(jù)輸水灌渠運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，設(shè)定范圍為0.55～0.75 m3/s。目前該河道寬度為12～45 m，河床最大坡降為1.68%，調(diào)查得知流域內(nèi)地勢(shì)以北部較高，高程變化超過(guò)500 m，下游地勢(shì)平坦，河流形成沖積平原分布較廣，主要為壤土與黏土質(zhì)，含水量分布在13%～17%，枯水季最大缺水率可達(dá)9.5%。近年來(lái)上游修建有水庫(kù)樞紐工程，可完成豐、枯水季水資源調(diào)度等作用，最大庫(kù)容量為350萬(wàn)m3，河流水質(zhì)中年平均含沙量為7.5 kg/m3，在雨季含沙量顯著較高，最大可達(dá)11.5 kg/m3，攔污柵前河床高程監(jiān)測(cè)表明最大淤積厚度可達(dá)1.2 m，對(duì)電站發(fā)電以及下游輸水灌渠運(yùn)營(yíng)具有較大負(fù)面影響。目前該飲用水河道建設(shè)的水利設(shè)施包括有各類大中型水閘15座，包括有最大的東莊泄洪閘，最大泄流量可達(dá)1055 m3/s，另建設(shè)有污水處理廠多個(gè)，確保飲用水安全性，日可處理水量超過(guò)50萬(wàn)m3，水利設(shè)施靜、動(dòng)力穩(wěn)定性均較佳，滿足工程安全運(yùn)營(yíng)要求。由于地區(qū)水資源污染性及工業(yè)化發(fā)展，造成飲用水河道出現(xiàn)大面積污染物，且可供水量相比原設(shè)計(jì)降低了35%，為此，對(duì)該農(nóng)村地區(qū)飲用水河道開(kāi)展水質(zhì)狀態(tài)分析及富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)很有意義，所有水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示，共有10個(gè)點(diǎn)S1～S10，均勻分布在飲用水取水口、排水口以及匯入口等特征斷面處。

圖1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

2 河道水質(zhì)狀態(tài)特征

2.1 河道水質(zhì)現(xiàn)狀

根據(jù)對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，獲得各測(cè)點(diǎn)水質(zhì)化學(xué)污染物分布變化特征，如圖2所示。從圖中可看出，TP濃度在河道上最大值為0.46 mg/L，位于S8排水口處，而濃度最低值為S10取水口處，僅為前者的12%，河道上TP濃度平均值為0.22 mg/L，在S5～S8斷面上濃度較高，而在S1～S4、S9～S10斷面上濃度均較低，河道上TP濃度分布不均與人類活動(dòng)有關(guān)，在S5～S8河道斷面上，存在較多分散性農(nóng)民住宅區(qū)，該區(qū)域內(nèi)污染物的分布亦較多，受地表徑流影響，逐步蔓延至該區(qū)段內(nèi)河道[13-14]，造成S5～S8斷面上TP濃度較高，該區(qū)段內(nèi)平均濃度相比整體河道平均值提高了63.6%，達(dá)0.36 mg/L。氨氮含量在河道斷面上最大值位于S8點(diǎn)處，達(dá)2.77 mg/L，河道整體上氨氮含量為先增后減變化，在S1～S8區(qū)段內(nèi)，由上游污染物的遷移逐步至S8排水口，該區(qū)段內(nèi)各點(diǎn)間氨氮含量平均增幅達(dá)21.6%，而在S9、S10斷面上氨氮含量持續(xù)降低，相比氨氮含量峰值分別降低了16.3%、44.0%，氨氮含量在全河道上分布為0.77～2.77 mg/L，從河道治理角度考慮，應(yīng)著重控制該河流上游氨氮污染物的遷移，減少下游水源氨氮分布。COD含量同樣在S8斷面處為最大，達(dá)31.20 mg/L，全河道上整體平均含量為13.91 mg/L，COD高含量分布區(qū)域位于S5～S8斷面，該區(qū)段內(nèi)COD平均含量可達(dá)21.1 mg/L，而與之同時(shí)在飲用水取水口COD含量相比峰值含量降低了63.7%，但不可忽視由于中部人類活動(dòng)對(duì)飲用水取水口斷面處COD含量影響，河道上游COD平均含量為5.70 mg/L，相比高含量區(qū)段內(nèi)降低了73%，因而控制人類活動(dòng)污染物對(duì)COD含量影響亦較為關(guān)鍵。

圖2 各測(cè)點(diǎn)水質(zhì)化學(xué)污染物變化特征

2.2 河道水質(zhì)時(shí)空特征

為綜合評(píng)價(jià)分析河道水質(zhì)狀態(tài)，針對(duì)河道水質(zhì)污染物成分，給出飲用水源河道水質(zhì)評(píng)價(jià)量值計(jì)算式，如式(1)所示，并計(jì)算出河道上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面的水質(zhì)評(píng)價(jià)量值參數(shù)Q，分析河道不同時(shí)間段不同節(jié)點(diǎn)處水質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)Q變化關(guān)系[15]。

Q=E1×E2×E3×E4

(1)

式中：E1為水質(zhì)類別表征參數(shù)；E2為水質(zhì)類別參數(shù)中TP分布特征系數(shù)；E3為水質(zhì)類別參數(shù)中氨氮含量特征系數(shù)；E4為水質(zhì)類別參數(shù)中COD含量特征系數(shù)。

圖3為不同時(shí)間段水質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)Q在各斷面上變化關(guān)系，從2018年開(kāi)始，每年定期對(duì)該河道進(jìn)行定量補(bǔ)水。從圖中可知，在2018年夏、冬兩季參數(shù)Q在各斷面上變化具有顯著差異，其中夏季參數(shù)Q值顯著低于冬季，在相同S3測(cè)點(diǎn)斷面上夏季參數(shù)Q值為8.52，而冬季參數(shù)Q值較之前者分別增大了74.4%，各測(cè)點(diǎn)上冬季參數(shù)Q值相比夏季時(shí)幅度差異達(dá)51%～80%，筆者認(rèn)為，該河道在夏季面臨汛期，水位及泄流量變化較大，水資源交換程度較高，故在活躍地表徑流與泄流影響下，夏季水質(zhì)參數(shù)Q值顯著低于冬季。從參數(shù)Q值在河道各測(cè)點(diǎn)中表現(xiàn)可知，河道中下游參數(shù)Q值顯著低于上游，在2018年夏季S8斷面處參數(shù)Q值為5.70，而上游S2斷面處Q值較之前者分別增大了45.8%，在S5～S10斷面處Q值平均值僅為6.20，而在上游S1～S4區(qū)段內(nèi)平均值相比前者增長(zhǎng)了38.7%，達(dá)8.6，分析認(rèn)為水力遷移作用，導(dǎo)致水質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)Q值夏季下游河道顯著降低，取水口水質(zhì)在下游亦可達(dá)到飲用水要求。與2018年相比，2019年水質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)Q值相比整體降低，表明隨著河道補(bǔ)水增加，水質(zhì)受污染程度降低，參數(shù)Q值故降低；在2019年夏季Q值平均為3.98，斷面上Q值最大為4.98，位于S1斷面，且水質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)Q值較大集中于上游，由上游至下游為遞減過(guò)程。2019年冬季Q值較之同一年夏季Q值亦有增高，平均差距幅度為12.6%，表明隨著河道補(bǔ)水進(jìn)行，河道夏、冬季水質(zhì)參數(shù)Q值差異幅度有所降低。在2020年夏季、冬季水質(zhì)參數(shù)Q值平均為3.10、3.70，在2018、2019年基礎(chǔ)上均有降低，其中夏季降低幅度最為顯著，較之2018—2019年分別降低了57.5%、26.8%，水質(zhì)參數(shù)Q值在各斷面上分布基本與2018、2019年類似，但飲用水取水口下游處的參數(shù)Q值較之前兩年有所平緩，S7～S10斷面上水質(zhì)參數(shù)Q值分布平穩(wěn)，夏、冬季分別穩(wěn)定在2.90、3.40，表明補(bǔ)水逐步在下游水質(zhì)凈化中發(fā)揮穩(wěn)定作用。

圖3 水質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)Q在各斷面上變化關(guān)系

3 富營(yíng)養(yǎng)化特征評(píng)價(jià)

富營(yíng)養(yǎng)化乃是水質(zhì)污染的重要表現(xiàn)，本文為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)該河道水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀，引入河道水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)參數(shù)P，其計(jì)算式如式(2)所示[16]，水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)如表1所示，借此計(jì)算出河道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)參數(shù)P變化關(guān)系，如圖4所示。

表1 水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)

(2)

式中：Wj為指標(biāo)權(quán)重參數(shù)，不同化學(xué)污染物含量分配不同；pj為營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)參數(shù)，與化學(xué)污染物含量有關(guān)；tj為水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)參數(shù)系數(shù)。

根據(jù)圖4中2019—2020年度水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)化參數(shù)P值變化關(guān)系可知，2019年夏季河道上水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)化參數(shù)P值平均為53.5，屬富營(yíng)養(yǎng)，其中營(yíng)養(yǎng)化參數(shù)P值最大區(qū)段乃是S8～S10，平均值達(dá)54.1，屬于富營(yíng)養(yǎng)，而S1～S4區(qū)段內(nèi)P值亦較高，亦屬于富營(yíng)養(yǎng)，在取水口S8處P指為50.4，全河道上P指波動(dòng)幅度不超過(guò)10%。2019年冬季河道上水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)化參數(shù)顯著增高，平均值較之夏季提高了19.3%，包括取水口在內(nèi)的S8～S10斷面上P值平均為64.3，冬季僅在S5～S7區(qū)段內(nèi)P值分布較低，整體河道上水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)化P值曲線呈“U”型，此亦印證了冬季降水較小、地表徑流活動(dòng)平靜不利于水質(zhì)污染物擴(kuò)散的特點(diǎn)。在2020年夏、冬季河道水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)化參數(shù)P平均值分別為26.5、38.2，較之2019年分別降低了50.5%、39.0%，均屬于中營(yíng)養(yǎng)水質(zhì)狀態(tài)，水質(zhì)健康程度較佳；但不可忽視，在2020年夏、冬季河道上均存在局部營(yíng)養(yǎng)化P值較高的斷面，如夏季在S2～S5斷面上營(yíng)養(yǎng)化參數(shù)P平均值可達(dá)30.2，最高達(dá)31.3，而在2020年冬季更甚者，在S1～S6斷面上均分布有較大營(yíng)養(yǎng)化參數(shù)P值，平均值為39.8，S6斷面最高可達(dá)41.9，表明定期定量補(bǔ)水雖有利于河道水質(zhì)凈化，但其凈化周期較長(zhǎng)，需要較長(zhǎng)時(shí)間得到緩釋，故應(yīng)重點(diǎn)對(duì)河流流域內(nèi)地表環(huán)境進(jìn)行保護(hù)很有必要，提升流域整體水質(zhì)環(huán)境，確保飲用水源安全性。

圖4 水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)化參數(shù)P值變化關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)河流水質(zhì)現(xiàn)狀中TP濃度最大為0.46 mg/L，河道整體TP濃度平均值為0.22 mg/L；河流水質(zhì)氨氮含量從上游至下游為先增后減變化，全河道上分布為0.77～2.77 mg/L；三種污染物成分均在S8斷面處達(dá)到最大，COD最大為31.20 mg/L，河道平均值為13.91 mg/L；污染物含量分布與人類活動(dòng)密切相關(guān)。

(2)河流水質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)Q在夏季顯著低于冬季，2018年河流各測(cè)點(diǎn)冬季參數(shù)Q值相比夏季時(shí)幅度差異達(dá)51%～80%，河道中下游參數(shù)Q值低于上游，隨年補(bǔ)水量遞進(jìn)，水質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)Q值降低，2020年夏季參數(shù)Q值較之2018、2019年分別減少了57.5%、26.8%。

(3)分析河流營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)可知2019年夏季水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)化參數(shù)P值平均為53.5，冬季參數(shù)值較之前者提高了19.3%；2020年夏、冬季水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)化參數(shù)P平均值分別為26.5、38.2，水質(zhì)均屬中營(yíng)養(yǎng)，但局部斷面處營(yíng)養(yǎng)化參數(shù)P值較高，夏、冬季最高分別可達(dá)31.3、41.9，定期定量補(bǔ)水對(duì)水質(zhì)凈化周期要求較長(zhǎng)。